随着量子计算技术的不断演进，如何高效且稳定地生成用于量子计算的量子比特成为科研领域的重要挑战。Gottesman–Kitaev–Preskill（简称GKP）量子比特因其独特的编码方式和抗误差能力，成为光学量子计算中最具潜力的编码方案之一。近日，一项基于集成光子芯片的新型光子源成功实现了GKP量子比特的生成，这一成果标志着面向大规模容错光子量子计算机的关键技术瓶颈得到突破。光学量子计算的魅力在于其天然适合大规模扩展和高性能网络连接，但传统光学系统往往依赖自由空间光学组件，难以实现高度集成与稳定性。此次研究通过在特制的300毫米硅氮化物晶圆平台上制造超低损耗集成光子芯片，不仅实现了高质量的GKP量子比特生成，同时兼顾了未来批量制造和扩展的需求。GKP编码巧妙地利用了单个光学模式的无限维希尔伯特空间，将逻辑量子比特嵌入其中，使得Clifford门操作能够通过简单的光学线性元件和同频检测以确定性方式执行。
这种实现路径不仅显著降低了量子门的复杂度，还令系统更易于兼容常温下操作，大幅提升实用价值。该研究的核心是利用四模高斯玻色采样设备，先后通过四个单模挤压器生成相干的挤压真空态，通过线性光学干涉耦合后以光子数分辨探测进行条件投射，从而实现GKP量子态的制备。实验中，集成的微环谐振器阵列采用光子分子设计，优化了光学非线性过程，抑制了寄生效应，保证了挤压态的纯净度和单时域模式特性。此外，蜂窝阵列的调制干涉仪实现了快速且可编程的线性光学变换，为状态合成提供了灵活性。测量端采用高效的超导转变边缘传感器，达到了超过99.8%的探测效率，确保了对投射后的量子态的精确识别。凭借近亿次的测量采集和高效数据处理，实验展示了含有多个明确分辨峰值的GKP状态，其威格纳函数中负值区域呈现清晰的三乘三网格结构，显示出强烈的非高斯特性，这是容错量子计算所必需的关键属性。
量子态的有效挤压度和稳定子期望值分析表明，当前芯片即使存在一定损耗，仍远超纯高斯态可达到的性能极限。模拟结果显示，若能进一步降低整体光学传输损耗超过99.5%，便有望制备达到10分贝以上有效挤压的GKP态，实现面向实用容错量子计算的性能门槛。从技术层面讲，集成光子芯片的制造工艺采用行业领先的硅氮化物薄膜沉积和光刻技术，实现了单模波导极低的传播损耗和高一致性生产。芯片内集成的热光调制器允许快速调节环谐振器的谐振频率及干涉路径相位，配合高稳定性的激光锁定方案，确保光子源输出的量子态具备优异的相干性和稳定性。相比于传统自由空间元件体系，该集成方案实现了体积小型化、抗环境扰动强、可批量制造，极大增强未来光量子计算机的实用性和可扩展性。GKP量子比特的优势不仅限于计算领域，其独特的容错结构还使其成为量子通信与量子传感的理想候选。
特别是在长距离量子通信的情景中，其对高斯型错误的天然抵御能力显著提升了传输的鲁棒性和最终态保真度。此次实验所展示的集成光子GKP源为相关应用的实际部署奠定了坚实基础。面对未来，尽管本次研究的四模玻色采样器结构已具备生成高质量GKP态的能力，但研发人员正积极探索更简洁的两模或三模设备，配合多重状态炼制和多路复用技术，以提升制备成功率及抗损耗能力。这些策略将进一步推动GKP态的实用化，并实现规模可观的容错体系搭建。此外，结合先进的机器学习优化技术，能够在器件参数调控及测量策略上实现深度自适应，进一步提升系统性能。展望量子计算的发展蓝图，集成光子平台的优势不仅体现在GKP量子比特的合成，还包括其与多种量子器件的无缝融合潜力，如高性能单光子探测器、快速调制器及量子存储单元。
这种度身定制的光子生态系统，将支持高维量子态的生成与操控，满足未来量子算法对多样量子资源的需求。在全球加速构建量子优势的浪潮中，集成光子GKP量子比特源的创新突破，用持续降低的光学损耗和稳定高效的设备集成，开启了通往实用容错光子量子计算机的新时代。科学家们期待通过跨学科合作，推动材料科学、光子工艺、量子测量及信息理论等领域的深度结合，携手迈入量子科技应用的下一个里程碑。
